Kimya endüstrisinin hidrojenasyon reaksiyonlarında, hidrojen parçalanması genellikle yüksek sıcaklık ve basınç gerektirir, çok fazla enerji tüketir ve güvenlik risklerini artırır. Normal sıcaklık koşulları altında verimli hidrojen parçalanmasının sağlanması, uzun süredir bilim insanları tarafından araştırılan önemli bir hedef olmuştur.
Çin Bilim Akademisi'nin son haberlerine göre, geleneksel hidrojenasyon süreçlerinde enerji tüketimini önemli ölçüde azaltacak, karbondioksit emisyonlarını azaltacak ve kimya endüstrisinde karbon kaynaklarının optimize edilmiş şekilde kullanılmasına yardımcı olacak olan, hidrojen gazının oda sıcaklığında verimli bir şekilde ayrıştırılması hedefine dünyada bir ilk olarak Çinli bilim adamları tarafından ulaşıldı.
Fotokatalitik hidrojen bölünmesi alanındaki bu çığır açıcı yeni ilerleme, Çin Bilimler Akademisi Dalian Kimyasal Fizik Enstitüsü'nden araştırmacı Wang Feng liderliğindeki bir ekip ve diğerlerinin yanı sıra İtalya Trieste Üniversitesi'nden Profesör Paolo Fornasiero ile işbirliği içinde gerçekleştirildi. İlgili araştırma makalesi, uluslararası üne sahip akademik dergi 'Science'da 5 Eylül Pekin saatinin erken saatlerinde çevrimiçi olarak yayınlandı.
Makalenin yazışma yazarı Araştırmacı Wang Feng, hidrojenasyon reaksiyonlarının kimya endüstrisindeki önemli reaksiyonlardan biri olduğunu ve kimyasal reaksiyon süreçlerinin yaklaşık dörtte birinde hidrojenasyonun en az bir adımını içerdiğini açıkladı. Hidrojenasyon reaksiyonlarının temel adımlarından biri, hem homolitik hem de heterolitik mekanizmaları içeren hidrojen aktivasyonudur. Bunlar arasında, hidrojenin heterolitik bölünmesi, yüksek reaktivite ve polar fonksiyonel grupların seçici hidrojenasyonu ile karakterize edilen, böylece birçok önemli kimyasal ürünün üretim hızını artıran ve yan reaksiyonları azaltan polar hidrojen türlerini üretir.
Bu çalışmada, araştırma ekibi, ışıkla uyarılmış elektronların ve deliklerin yarı reaksiyonlarını 'bağımsız olarak'-indükleyen önceden geliştirilmiş fotokatalitik dönüşüm yöntemini geliştirdi ve uzaysal olarak bitişik pozitif ve negatif yük merkezleri oluşturmak için fotouyarılmış elektronların ve deliklerin kullanılmasını önerdi, böylece ortam koşulları altında hidrojen heterolizi elde edildi.
Araştırma ekibi model katalizör olarak altın/titanyum dioksit kullandı. Titanyum dioksitin ultraviyole ışıkla uyarılmasıyla, üretilen elektronlar altın nanopartiküllerine aktarılabilir ve sıkışıp kalabilir. Bu arada, altın nanoparçacıkları ile titanyum dioksit arasındaki arayüzde, fotojenere deliklerin sıkışabileceği, altın-oksijen-titanyumdan oluşan kusur durumları vardır. Bu noktada, delikler ve elektronlar sırasıyla altın-oksijen-titanyum arayüzünde ve altın nanopartiküllerinde konumlanır ve uzaysal olarak bitişik bağlı elektron-delik çiftleri oluşturur. Bu nedenle, bağlı elektron-delik çifti mekanizması, hidrojen fotoayrışmasına hakim olduğunda, altın/titanyum dioksitin hidrojen fotoayrışmasını katalize etmedeki aktivitesi, daha güçlü ışık yoğunluğuyla birlikte doğrusal olarak artar.
Daha sonra araştırma ekibi, inert bir karbon dioksit indirgeme reaksiyonu yoluyla bu ışığın- indüklediği hidrojenasyonun avantajlarını daha da doğruladı ve üretilen hidrojen türlerinin, tek ürünün etan olduğu, oda sıcaklığında inert karbondioksiti tamamen dönüştürebildiğini keşfetti. Daha sonra etan'ı etilene dönüştüren bir cihaz aracılığıyla karbondioksit niceliksel olarak etilene indirgenebiliyor ve katalizör, devre dışı bırakılmadan 1500 saatten fazla stabil bir şekilde çalışabiliyor.
Araştırma ekibi, hidrojen bölünmesine yönelik fotokatalitik yöntemdeki en son gelişmenin, altın/nitrojen katkılı oksitler, altın/seryum oksit ve altın/bizmut vanadat fotokatalizörleri kapsayacak şekilde genişletilebileceğini ve ayrıca %90 seçicilikle karbondioksitin etan haline hidrojenlenmesini sağlamak için güneş ışığını kullanabileceğini belirtti.
Wang Feng, etan ve etilen gibi yüksek-katma değerli-ürünler üretmek için hidrojenin oda sıcaklığında etkili bir şekilde termal olmayan şekilde parçalanması, hidrojen ve karbon dioksitin hammadde olarak kullanılması yoluyla, enerji tüketiminde ve emisyonlarda önemli azalmalar elde edileceğini, böylece kimya endüstrisinde karbon kaynaklarının optimize edilmiş şekilde kullanılmasına yardımcı olunacağını belirtti.
Gelecekte araştırma ekibinin,{0}}modern kömür kimya endüstrilerinin iyileştirilmesi ve dönüşümü için yeni bir model sunarak ışık ve fototermal enerjiyi buna dayalı olarak birleştiren bir endüstriyel teknoloji yolu geliştirmeyi umarak reaksiyon süreçleri üzerinde derinlemesine çalışmalar yürüteceğini açıkladı.
Kaynak: Çin Haber Servisi